如果把程序(program)中的每一条指令看作电影胶片的一帧，那么执行程序的CPU就像一台飞速运转的放映机。以英特尔P6系列CPU为例，其处理能力大约在300（一代产品Pentium Pro)～3000(奔腾III)MIPS。MIPS的含义是CPU每秒钟能执行的指令数(以百万指令为单位)。如果按3000MIPS计算，那么意味着每秒钟大约有30亿条指令“流”过这台高速的“放映机”。这大约是电影胶片放映速度(24帧每秒)的1.25亿倍。如此高的执行速度，如果在程序中存在错误或CPU内部发生了错误，该如何调试呢?
CPU的设计者们一开始就考虑到了这个问题—— 如何在CPU中包含对调试的支持。就像在制作电影过程中人们可以慢速放映或停下来分析每一帧一样，CPU也提供了一系列机制，允许一条一条地执行指令，或者使其停在指定的位置。
以英特尔的IA结构CPU为例，其提供的调试支持如下。
- INT 3指令：又叫断点指令，当CPU执行到该指令时便会产生断点异常，以便中断到调试器程序。INT 3指令是软件断点的实现基础。
- 标志寄存器(EFLAGS)中的TF标志：陷阱标志位，当该标志为1时，CPU每执行完一条指令就产生调试异常。陷阱标志位是单步执行的实现基础。
- 调试寄存器DR0～DR7：用于设置硬件断点和报告调试异常的细节。
- 断点异常(#BP)：INT 3指令执行时会导致此异常，CPU转到该异常的处理例程。异常处理例程会进一步将异常分发给调试器软件。
- 调试异常(#DB)：当除INT 3指令以外的调试事件发生时，会导致此异常。
- 任务状态段(TSS)的T标志：任务陷阱标志，当切换到设置了T标志的任务时，CPU会产生调试异常，中断到调试器。
- 分支记录机制：用来记录上一个分支、中断和异常的地址等信息。
- 性能监视：用于监视和优化CPU及软件的执行效率。
- JTAG支持：可以与JTAG调试器一起工作来调试单独靠软件调试器无法调试的问题。
除了对调试功能的直接支持，CPU的很多核心机制也为实现调试功能提供了硬件基础，比如异常机制、保护模式和性能监视功能等。
CPU是Central Processing Unit的缩写，即中央处理单元，或者叫中央处理器，有时也简称为处理器(processor)。头一款集成在单一芯片上的CPU是英特尔公司于1969年开始设计并于1971年推出的4004，与当时的其他CPU相比，它的体积可算是微乎其微，因此，人们把这种实现在单一芯片上的CPU(Single-chip CPU)称为微处理器(microprocessor)。目前，绝大多数(即使不是全部)CPU都是集成在单一芯片上的，甚至多核技术还把多个CPU内核(core)集成在一块芯片上，因此微处理器和处理器这两个术语也几乎被等同起来了。
尽管现代CPU的集成度不断提高，其结构也变得越来越复杂，但是它在计算机系统中的角色仍然非常简单，那就是从内存中读取指令(fetch instruction)，然后解码(decode)和执行(execute)。指令是CPU可以理解并执行的操作(operation)，它是CPU能够“看懂”的语言。本文将以这一核心任务为线索，介绍关于CPU的基本知识和概念。
指令和指令集
某一类CPU所支持的指令集合简称为指令集(Instruction Set)。根据指令集的特征，CPU可以划分为两大阵营，即RISC和CISC。
精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer，RISC)是IBM研究中心的John Cocke博士于1974年提出的。其基本思想是通过减少指令的数量和简化指令的格式来优化和提高CPU执行指令的效率。RISC出现后，人们很自然地把与RISC相对的另一类指令集称为复杂指令集计算机(Complex Instruction Set Computer，CISC)。
RISC处理器的典型代表有SPARC处理器、PowerPC处理器、惠普公司的PA-RISC处理器、MIPS处理器、Alpha处理器和ARM处理器等。
CISC处理器的典型代表有x86处理器和DEC VAX-11处理器等。头一款x86处理器是英特尔公司于1978年推出的8086，其后的8088、80286、80386、80486、奔腾处理器及AMD等公司的兼容处理器都是兼容8086的，因此人们把基于该架构的处理器统称为x86处理器。
基本特征
下面将以比较的方式来介绍RISC处理器和CISC处理器的基本特征和主要差别。除非特别说明，我们用ARM处理器代表RISC处理器，用x86处理器代表CISC处理器。
一，大多数RISC处理器的指令都是等长的(通常为4个字节，即32比特)，而CISC处理器的指令长度是不确定的，最短的指令是1个字节，有些长的指令有十几个字节(x86)甚至几十个字节(VAX-11)。定长的指令有利于解码和优化，其缺点是目标代码占用的空间比较大(因为有些指令没必要用4字节)。对于软件调试而言，定长的指令有利于实现反汇编和软件断点，我们将在4.1节详细介绍软件断点。这里简要介绍一下反汇编。对于x86这样不定长的指令集，反汇编时一定要从一条有效指令的字节开始，依次进行，比如下面3条指令是某个函数的序言。
- 0:000> u 47f000
- image00400000+0x7f000:
- 0047f000 55 push ebp
- 0047f001 8bec mov ebp,esp
- 0047f003 6aff push 0FFFFFFFFh
上面是从正确的起始位置开始反汇编，结果是正确的，但是如果把反汇编的起点向前调整两个字节，那么结果就会出现很大变化。
- 0:000> u 47effd
- image00400000+0x7effd:
- 0047effd 0000 add byte ptr [eax],al
- 0047efff 00558b add byte ptr [ebp-75h],dl
- 0047f002 ec in al,dx
- 0047f003 6aff push 0FFFFFFFFh
这就是所谓的指令错位。为了减少这样的问题，编译器在编译时，会在函数的间隙填充nop或者int 3等单字节指令，这样即使反汇编时误从函数的间隙开始，也不会错位，可以帮助反汇编器顺利“上手”。而上面的例子来自某个做过加壳保护的软件，这样的软件不愿意被反汇编，所以故意在函数的间隙或者某些位置加上0来迷惑反汇编器。
二，RISC处理器的寻址方式(addressing mode)比CISC要少很多，我们稍后将单独介绍。
三，与RISC相比，CISC处理器的通用寄存器(general register)数量较少。例如16位和32位的x86处理器都只有8个通用寄存器：AX/EAX、BX/EBX、CX/ECX、DX/EDX、SI/ESI、DI/EDI、BP/EBP、SP/ESP(E开头为32位，为Extended之缩写)，而且其中的BP/EBP和SP/ESP常常被固定用来维护栈，失去通用性。64位的x86处理器增加了8个通用寄存器(R8～R15)，但是总量仍然远远小于RISC处理器(通常多达32个)。寄存器位于CPU内部，可供CPU直接使用，与访问内存相比，其效率更高。
四，RISC的指令数量也相对较少。就以跳转指令为例，8086有32条跳转指令(JA、JAE、JB、JPO、JS、JZ等)，而ARM处理器只有两条跳转指令(BLNV和BLEQ)。跳转指令对流水线执行很不利，因为一旦遇到跳转指令，CPU就需要做分支预测(branch prediction)，而一旦预测失败，就要把已经执行的错误分支结果清理掉，这会降低CPU的执行效率。但是丰富的跳转指令为编程提供了很多方便，这是CISC处理器的优势。
五，从函数(或子程序)调用(function/procedure call)来看，二者也有所不同。RISC处理器因具有较多的寄存器，通常就有足够多的寄存器来传递函数的参数。而在CISC中，即使用所谓的快速调用(fast call)协定，也只能将两个参数用寄存器来传递，其他参数仍然需要用栈来传递。从执行速度看，使用寄存器的速度更快。我们将在后面关于调用协定的内容中进一步讨论函数调用的细节。
鉴于以上特征，RISC处理器的实现相对来说简单一些，这也是很多低成本的供嵌入式系统使用的处理器大多采用RISC架构的一个原因。关于RISC和CISC的优劣，一直存在着很多争论，采用两种技术的处理器也在相互借鉴对方的优点。比如从P6系列处理器的一代产品Pentium Pro开始，英特尔的x86处理器就开始将CISC指令先翻译成等长的微操作(micro-ops或µops)，然后再执行。微操作与RISC指令很类似，因此很多时候又被称为微指令。因此可以说今天的主流x86处理器(不包括那些用于嵌入式系统的x86处理器)的内部已经具有了RISC的特征。此外，ARM架构的v4版本引入了Thumb指令集，允许混合使用16位指令和32指令，指令的长度由单一一种变为两种，程序员可以根据需要选择短指令和长指令，不必再拘泥于一种长度，这样可使编译好的目标程序更加紧凑。
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